集成电路 工艺 原理

1. 仇志军 zjqiu@fudan.edu.cn 邯郸校区物理楼435室 集成电路工艺原理

2. 大纲 （2） 第一章 前言 第二章 晶体生长 第三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 后端工艺与集成 第十一章 未来趋势与挑战

3. Modern IC factories employ a three tiered approach to controlling unwanted impurities（现代IC fabs依赖三道防线来控制沾污）

4. 三道防线: • 环境净化（clean room） • 硅片清洗（wafer cleaning） • 吸杂（gettering）

5. 1、空气净化 From Intel Museum

6. 净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5mm的粒子总数不超过X个。净化级别：每立方英尺空气中含有尺度大于0.5mm的粒子总数不超过X个。 0.5um

8. 高效过滤 超细玻璃纤维构成的多孔过滤膜：过滤大颗粒，静电吸附小颗粒 泵循环系统 20～22C 40～46％RH 排气除尘

9. 由于集成电路內各元件及连线相当微细，因此制造过程中，如果遭到灰尘、金属的污染，很容易造成芯片内电路功能的损坏，形成短路或断路，导致集成电路的失效！在现代的VLSI工厂中，75%的产品率下降都来源于硅芯片上的颗粒污染。由于集成电路內各元件及连线相当微细，因此制造过程中，如果遭到灰尘、金属的污染，很容易造成芯片内电路功能的损坏，形成短路或断路，导致集成电路的失效！在现代的VLSI工厂中，75%的产品率下降都来源于硅芯片上的颗粒污染。 例1. 一集成电路厂 产量＝1000片/周×100芯片/片，芯片价格为$50/芯片，如果良率为50％，则正好保本。若要年赢利$10,000,000，良率增加需要为 年开支=年产能 为1亿3千万 1000×100×52×$50×50% =$130,000,000 良率提高3.8%，将带来年利润1千万美元！

10. Contaminants may consist of particles, organic films (photoresist), heavy metals or alkali ions.

11. 外来杂质的危害性 例2. MOS阈值电压受碱金属离子的影响 当tox＝10 nm，QM＝6.5×1011 cm-2（10 ppm)时，DVth＝0.1 V 例3. MOS DRAM的刷新时间对重金属离子含量Nt的要求 ＝10－15 cm2，vth=107 cm/s 若要求G＝100 ms，则Nt1012 cm-3 =0.02 ppb!!

12. 风淋吹扫、防护服、面罩、手套等，机器手/人风淋吹扫、防护服、面罩、手套等，机器手/人 特殊设计及材料 定期清洗 超纯化学品 去离子水 颗粒粘附 所有可以落在硅片表面的都称作颗粒。 超级净化空气 颗粒来源： • 空气 • 人体 • 设备 • 化学品

13. 在ULSI级化学试剂中的颗粒浓度（数目/ml）

14. 各种可能落在芯片表面的颗粒

15. 粒子附着的机理：静电力，范德华力，化学键等粒子附着的机理：静电力，范德华力，化学键等 • 去除的机理有四种： • 1氧化分解 • 2溶解 • 3对硅片表面轻微的腐蚀去除 • 4 粒子和硅片表面的电排斥 • 去除方法：SC-1, megasonic（超声清洗）

16. 金属的玷污 • 来源：化学试剂，离子注入、反应离子刻蚀等工艺 • 量级：1010原子/cm2 • 影响： • 在界面形成缺陷，影响器件性能，成品率下降 • 增加p-n结的漏电流，减少少数载流子的寿命 Fe, Cu, Ni, Cr, W, Ti… Na, K, Li…

17. 离子注入 干法刻蚀 去胶 Fe Ni Cu 水汽氧化 9 10 11 12 13 Log (concentration/cm2) 不同工艺过程引入的金属污染

18. 氧化 还原 • 金属杂质沉淀到硅表面的机理 • 通过金属离子和硅表面终端的氢原子之间的电荷交换，和硅结合。（难以去除） • 氧化时发生：硅在氧化时，杂质会进入 • 去除方法：使金属原子氧化变成可溶性离子 M Mz+ + z e- • 去除溶液：SC-1, SC-2（H2O2：强氧化剂）

19. 电负性

20. 反应优先向左

21. 有机物的玷污 • 来源： • 环境中的有机蒸汽 • 存储容器 • 光刻胶的残留物 • 去除方法：强氧化 • － 臭氧干法 • － Piranha：H2SO4-H2O2 • － 臭氧注入纯水

22. 自然氧化层（Native Oxide） • 在空气、水中迅速生长 • 带来的问题： • 接触电阻增大 • 难实现选择性的CVD或外延 • 成为金属杂质源 • 难以生长金属硅化物 • 清洗工艺：HF＋H2O（ca. 1: 50）

23. 2、硅片清洗 SPM：sulfuric/peroxide mixture H2SO4(98％):H2O2(30％)=2:1~4:1 把光刻胶分解为CO2＋H2O （适合于几乎所有有机物） 有机物/光刻胶的两种清除方法： 氧等离子体干法刻蚀：把光刻胶分解为气态CO2＋H2O （适用于大多数高分子膜） 注意：高温工艺过程会使污染物扩散进入硅片或薄膜 前端工艺（FEOL）的清洗尤为重要

24. OH－ OH－ OH－ OH－ OH－ OH－ RCA——标准清洗 • SC-1（APM，Ammonia Peroxide Mixture）： • NH4OH(28%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:5～1:2:7 • 70～80C, 10min 碱性（pH值>7） • 可以氧化有机膜 • 和金属形成络合物 • 缓慢溶解原始氧化层，并再氧化——可以去除颗粒 • NH4OH对硅有腐蚀作用 RCA clean is “standard process” used to remove organics, heavy metals and alkali ions.

25. SC-2: • HCl(73%):H2O2(30%):DIH2O=1:1:6~1:2:8 • 70～80C, 10min 酸性（pH值<7） • 可以将碱金属离子及Al3＋、Fe3＋和Mg2＋在SC-1溶液中形成的不溶的氢氧化物反应成溶于水的络合物 • 可以进一步去除残留的重金属污染（如Au） RCA与超声波振动共同作用，可以有更好的去颗粒作用 20～50kHz 或 1MHz左右。 平行于硅片表面的声压波使粒子浸润，然后溶液扩散入界面，最后粒子完全浸润，并成为悬浮的自由粒子。

26. 化学溶剂 H2SO4+H2O2(4:1) 120C,10min 有机污染物 清洗温度 D.I. H2O 室温 洗清 清除的污染物 NH4OH+H2O2+H2O(1:1:5) (SC－1) 80C,10min 微尘 1 D.I. H2O 室温 洗清 HCl+H2O2+H2O(1:1:6) (SC－2) 80C,10min 金属离子 D.I. H2O 室温 洗清 2 HF+H2O (1:50) 室温 氧化层 D.I. H2O 室温 洗清 3 9 干燥 4 5 6 7 8 现代CMOS的硅片清洗工艺

27. 其它先进湿法清洗工艺，如Ohmi From IMEC (Interuniversity Microelectronic Center) • (1) H2O + O3 (<1 ppb) • 去除有机物 • (2) NH4OH +H2O2 +H2O (0.05:1:5) • 去除颗粒、有机物和金属 • (3) HF (0.5%) +H2O2 (10%) • 天然氧化层和金属 • (4) DI H2O清洗（>18M-cm)

28. 机器人自动清洗机

29. 清洗容器和载体 • SC1/SPM/SC2 • – 石英（ Quartz ）或 Teflon容器 • HF • – 优先使用Teflon，其他无色塑料容器也行。 • 硅片的载体 • – 只能用Teflon 或石英片架

30. 清洗设备 喷雾清洗 超声清洗

31. 洗刷器

32. 湿法清洗的问题 • 对硅造成表面腐蚀 • 较难干燥 • 价格 • 化学废物的处理 • 和先进集成工艺的不相容

33. Ra(nm) Mixing ratio of NH4OH(A) in NH4OH+H2O2+H2O solution (A:1:5, A<1) • 降低微粗糙度的方法： • 减少NH4OH的份额 • 降低清洗温度 • 减少清洗时间 湿法清洗造成硅片表面粗糙度增加 表面粗糙度：清洗剂、金属污染对硅表面造成腐蚀，从而造成表面微粗糙化。SC-1中，NH4OH含量高，会对硅造成表面腐蚀和损伤。 降低沟道内载流子的迁移率，对热氧化生长的栅氧化物的质量、击穿电压都有破坏性的影响。

34. Surface roughness (nm) Surface roughness (nm) 不同清洗（腐蚀）方法与表面粗糙度

35. Ebd (MV/cm) Ebd (MV/cm) Surface roughness (nm) Surface roughness (nm) 表面粗糙度降低了击穿场强

36. 干法清洗工艺 • 气相化学，通常需激活能在低温下加强化学反应。 • 所需加入的能量，可以来自于等离子体，离子束，短波长辐射和加热，这些能量用以清洁表面，但必须避免对硅片的损伤 • HF／H2O气相清洗 • 紫外一臭氧清洗法（UVOC） • H2／Ar等离子清洗 • 热清洗

37. 其它方法举例

38. 3、吸杂 • 把重金属离子和碱金属离子从有源区引导到不重要的区域。 • 器件正面的碱金属离子被吸杂到介质层（钝化层），如PSG、Si3N4 • 硅片中的金属离子则被俘获到体硅中（本征吸杂）或硅片背面（非本征吸杂）

39. 硅中深能级杂质（SRH中心） 扩散系数大 容易被各种机械缺陷和化学陷阱区域俘获

40. 杂质元素从原有陷阱中被释放，成为可动原子 • 杂质元素扩散到吸杂中心 • 杂质元素被吸杂中心俘获 吸杂三步骤：

41. 高扩散系数＋间隙扩散方式＋聚集并占据非理想缺陷（陷阱）位置高扩散系数＋间隙扩散方式＋聚集并占据非理想缺陷（陷阱）位置

42. 激活  可动，增加扩散速度。替位原子  间隙原子 Aus＋I  AuI 踢出机制 Aus AuI＋ V 分离机制 引入大量的硅间隙原子，可以使金Au和铂Pt等替位杂质转变为间隙杂质，扩散速度可以大大提高。 高浓度磷扩散 离子注入损伤 SiO2的凝结析出 方法

43. 碱金属离子的吸杂： • PSG——可以束缚碱金属离子成为稳定的化合物 超过室温的条件下，碱金属离子即可扩散进入PSG • 超净工艺＋Si3N4钝化保护——抵挡碱金属离子的进入 • 其他金属离子的吸杂： • 本征吸杂—— 使硅表面10－20mm范围内氧原子扩散到体硅内，而硅表面的氧原子浓度降低至10ppm以下。利用体硅中的SiO2的凝结成为吸杂中心。 • 非本征吸杂——利用在硅片背面形成损伤或生长一层多晶硅，制造缺陷成为吸杂中心。在器件制作过程中的一些高温处理步骤，吸杂自动完成。

44. 外扩散 沉淀析出 凝结成核 • 本征吸杂工艺更易控制 • 造成的损伤范围大 • 距有源区更近 • 缺陷热稳定性好 方法：外延或热循环处理

45. bipolar

46. 器件：少子寿命，VT改变，Ion Ioff，栅击穿电压，可靠性 净化的必要性 电路：产率，电路性能 净化级别 高效净化 本征吸杂和非本征吸杂 杂质种类：颗粒、有机物、金属、天然氧化层 强氧化 天然氧化层 HF:DI H2O 本节课主要内容 The bottom line is chip yield. “Bad” die manufactured alongside “good” die.Increasing yield leads to better profitability in manufacturing chips. 净化的三个层次：环境、硅片清洗、吸杂

47. 本节课主要内容 硅片清洗 湿法清洗：Piranha，RCA（SC－1，SC－2），HF:H2O 干法清洗：气相化学 吸杂三步骤：激活，扩散，俘获 碱金属：PSG，超净化＋Si3N4钝化保护 其他金属：本征吸杂和非本征吸杂 ——大密度硅间隙原子＋体缺陷 SiO2的成核生长。 硅片背面高浓度掺杂，淀积多晶硅

48. 三道防线: • 净化环境（clean room） • 硅片清洗（wafer cleaning） • 吸杂（gettering） “Dirt is a natural part of life.”